Helium: svojstva, svojstva, primjena

Helium je inertni plin 18. skupine periodičnog stola. Ovo je drugi najlakši element nakon vodika. Helium je plin bez boje, mirisa i okusa koji postaje tekući na temperaturi od -268.9 ° C. Točka vrenja i točka smrzavanja niži su od bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne skrutne nakon hlađenja pri normalnom atmosferskom tlaku. Kako bi se helij prolazio u čvrstom stanju, potrebne su 25 atmosfere na temperaturi od 1 K.

Povijest otkrića

Helij je pronađena u atmosferi plina koji okružuje Sunce, francuski astronom Pierre Zhansenom da je u 1868. za vrijeme pomrčine je pronašao svijetle žute linije u spektru sunčevog kromosfera. Izvorno se pretpostavlja da je ova linija predstavljala element natrija. Iste je godine engleski astronom Joseph Norman Lockyer promatrao žutu liniju u sunčevom spektru koji nije odgovarala poznatom natrijevom D₁ i D₂, i tako je nazvao linijom D₃. Lockyer je došao do zaključka da je to uzrokovano tvari na Suncu, nepoznato na Zemlji. On i kemičar Edward Frankland u ime elementa koriste grčki naziv sunca "helios".

Godine 1895. britanski kemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helija na Zemlji. Dobio je uzorak uranifernog minerala claveita, a nakon proučavanja plinova nastalih tijekom zagrijavanja, otkrio je da svijetlo žuta linija u spektru podudara se s linijom D₃, promatrana u sunčevom spektru. Stoga je novi element napokon uspostavljen. Godine 1903. Ramzi i Frederic Sodd utvrdili su da je helij proizvod spontanog propadanja radioaktivnih tvari.

Distribucija u prirodi

Masa helija je oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi najprostorniji u svemiru. Koncentriran je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako je helij u atmosferi je u koncentraciji od 1 dijela na 200-og. (5 ppm), a nalazi se u malim količinama radioaktivnih minerala, meteorita žlijezde, kao i mineralnih izvora, velike količine elementa nalaze u SAD-u (pogotovo u Teksasu, Novom Meksiku, Kansasu, Oklahomi, Arizoni i Utahu) kao komponentu (do 7,6%) prirodnog plina. Njegove male rezerve otkrivene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori, koncentracija helija je samo oko 8 dijelova na milijardu.

izotopi

Jezgra svakog atoma helija sadrži dva protona, ali, kao i drugi elementi, ima izotope. One sadrže jedan do šest neutrona, pa su njihovi masovni brojevi u rasponu od tri do osam. Stabilni su od tih elemenata u kojima se masa helija određuje atomskim brojevima 3 (³On) i 4 (⁴On). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se razgrađuju u druge tvari. Zemlja helija nije izvorni konstitutivni dio planeta, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspadanja. Alfa čestice koje emitiraju jezgre teških radioaktivnih tvari su jezgre izotopa ⁴On je. Helium se ne nakuplja u velikim količinama u atmosferi, jer gravitacija Zemlje nije dovoljna da spriječi njezino postupno propuštanje u svemir. pjesme ³Objašnjen je na Zemlji negativnim beta-raspadom rijetkog elementa vodika-3 (tritija). ⁴On je najčešći stabilni izotop: omjer broja atoma ⁴On je ³On je oko 700 tisuća do 1 u atmosferi i oko 7 milijuna do 1 u nekim mineralima koji sadrže helij.

Fizička svojstva helija

Točka vrenja i talište ovog elementa su najniža. Iz tog razloga, helij postoji kao plin, osim iznimnih uvjeta. Plinoviti On se u vodi otapa manje od bilo kojeg drugog plina, a brzina difuzije kroz krutinu je tri puta veća od one zraka. Indeks refrakcije najbliži je 1.

Toplinska provodljivost helija je druga samo na toplinskoj vodljivosti vodika, a njegova specifična toplina je neuobičajeno visoka. Pri običnim temperaturama tijekom ekspanzije zagrijava, a ispod 40 K se hladi. Stoga, za T<40 K, helij se može pretvoriti u tekućinu ekspanzijom.

Element je dielektrik ako nije u ioniziranom stanju. Poput ostalih plemenitih plinova, helij ima razinu metastabilne energije koja mu dopušta da ostane ionizirana u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod ionizacijskog potencijala.

Helium-4 je jedinstven po tome što ima dva tekuća oblika. Uobičajena se naziva helij I i postoji na temperaturama od točke ključanja od 4,21 K (-268,9 ° C) do oko 2,18 K (-271 ° C). Ispod 2,18 K toplinske vodljivosti ⁴Postaje 1000 puta više od bakra. Taj se oblik naziva helij II, kako bi se razlikovao od običnih. Ima superfluidnost: viskoznost je toliko niska da se ne može mjeriti. Helium II ulazi u tanki film na površini bilo koje tvari koju dotakne, a ovaj film teče bez trenja, čak i protiv gravitacije.

Manje bogat helij-3 tvori tri različite tekuće faze, od kojih su dva superfluida. Superfluidnost u ⁴Otkrio ga je sovjetski fizičar Petr Leonidovich Kapitza sredinom tridesetih godina prošlog stoljeća, a isti fenomen u ³Prvo je promatrao Douglas D. Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson iz Sjedinjenih Država 1972. godine.

Tekuća smjesa dva alfa-3 i -4 izotopa pri temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 ° C) je podijeljena u dva sloja - u biti čist ³On i mješavine ⁴On je s 6% helijem-3. raspuštanje ³On je u ⁴Uz to je i učinak hlađenja koji se koristi za dizajn kriostata u kojima temperatura helija pada ispod 0.01 K (-273.14 ° C) i održava se nekoliko dana.

veze

U normalnim uvjetima, helij je kemijski inertan. U ekstremnim slučajevima moguće je stvoriti priključke elementa koji, pod normalnim uvjetima temperature i tlaka, nisu stabilni. Na primjer, mogu formirati spojeve helij s jodom, volframa, fluor, fosfora i sumpora, kada je podvrgnuta električnog pražnjenja sjaj ili bombardiranja elektronima u plazmi. Tako, HeNe, HgHe₁₀, whe₂ i molekularnih iona₂⁺, Nemojte₂⁺⁺, Heh⁺ i HeD⁺. Ova je tehnika također omogućila dobivanje neutralnih molekula₂ i HgHe.

plazma

U Svemiru se ionizirajući helij pretežno distribuira, čija svojstva se značajno razlikuju od molekularne. Elektroni i protoni nisu spojeni i imaju vrlo visoku električnu provodljivost, čak iu djelomično ioniziranom stanju. Napunjene čestice jako utječu magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru s alfa česticama interakciju s ioniziranog vodika magnetosfere zemlji, uzrokujući aurora borealis.

Otkrivanje depozita u SAD-u

Nakon bušenja bušotine 1903. godine u Dexteru, Kansas, dobivena je nezapaljiva plina. U početku nije bilo poznato da je sadržavao helij. Koji plin je pronađen, identificiran stanje Erasmus Haworth geolog, koji je prikupio svoje uzorke i University of Kansas preko kemičara Cady Hamilton i David McFarland otkrili da sadrži 72% dušika, 15% metana, 1% vodika i 12% nije identificiran. Nakon daljnje analize, istraživači su otkrili da je 1,84% uzorka helij. Tako je saznao da je ovaj kemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velikih nizina, odakle se može izvući iz prirodnog plina.

Industrijska proizvodnja

Time su Sjedinjene Države postale svjetski lider u proizvodnji helija. Na prijedlog Sir Richard Threlfall, američka mornarica financira tri male pilot postrojenja za proizvodnju ove supstance tijekom Prvog svjetskog rata kako bi se osigurala baraž balone lagani ne-zapaljive podizanje plin. Za ovaj program ukupno 5700 m³ 92 posto, iako je prije toga dobiveno samo manje od 100 litara plina. Dio tog zapisa koristi se u prvom svjetskom zrakoplovu za helij Američka mornarica C-7, koji je napravio svoj prvi let s Hampton Roads (Virginia) u polju Bolling (Washington, DC) 7. prosinca 1921.

Iako je proces niskotemperaturnog ukapljavanja plina u to vrijeme bio nedovoljno razvijen da bi se dokazao značajnim tijekom Prvog svjetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helium se uglavnom koristi kao plin za podizanje u zrakoplovu. Potražnja za njom rasla je tijekom Drugog svjetskog rata, kada je počela koristiti za zaštićeni zavarivanje. Element je također bio važan u projektu stvaranja atomske bombe "Manhattan".

Nacionalni rezervat SAD-a

Godine 1925., vlada SAD-a stvorila je Nacionalni rezervat helija u Amarilju u Teksasu kako bi osigurao vojne zračne brodove tijekom rata i komercijalnih zrakoplova u miru. Korištenje plina pala nakon Drugog Svijeta, ali je dionica povećana je u 1950. kako bi, između ostalog, opskrbljuje kao rashladno sredstvo koristi u proizvodnji kisika vodika potisnog plina tijekom svemirske utrke i hladnog rata. Korištenje helija u SAD-u 1965. bila je osam puta veća potrošnja u vrijeme rata.

Nakon donošenja zakona o heliju 1960. godine, Mountain Bureau sklopio je 5 privatnih poduzeća za izdvajanje elementa iz prirodnog plina. Ovaj program je izgrađen 425-km cjevovoda za povezivanje ove biljke s državnom djelomično iscrpljena plinskog polja u blizini Amarillo, Texas. Smjesa helij-dušika je pumpana u podzemni spremnik i ostala tamo dok nije bila potrebna.

Do 1995. godine prikupljeno je zalihe od 1 milijarde kubičnih metara, a Nacionalni rezervat iznosio je 1,4 milijarde dolara, što je potaknulo američki Kongres na odstupanje od 1996. godine. Nakon usvajanja Zakona o privatizaciji helija 1996. godine, Ministarstvo prirodnih resursa je 2005. godine likvidiralo depozitar.

Čistoća i količine proizvodnje

Helium, proizveden prije 1945. godine, imao je čistoću od oko 98%, a preostalih 2% čine dušik, što je dovoljno za dirigible. Godine 1945. proizvedena je mala količina plina od 99,9% za uporabu u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. godine čistoća rezultirajućeg elementa dosegla je 99,995%.

Tijekom godina, Sjedinjene Države su proizveli više od 90% svjetskog komercijalnog helija. Od 2004. godine proizveden je godišnje na 140 milijuna m³, Od kojih 85% pada na SAD, 10% je proizvedeno u Alžiru, a ostalo - u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helija u svijetu su plinsko polje Teksasa, Oklahome i Kansasa.

Postupak dobivanja

Helium (čistoća 98,2%) se iz prirodnog plina izdvaja ukapljivanjem ostalih komponenata pri niskim temperaturama i pri visokim pritiscima. Adsorpcija ostalih plinova ohlađenim aktivnim ugljikom omogućuje postizanje čistoće od 99,995%. Mala količina helija nastaje pri ukapljavanju zraka na velikom mjerilu. Od 900 tona zraka možete dobiti oko 3,17 kubnih metara. m plina.

Područja primjene

Plemeniti plin je pronašao primjenu na različitim poljima.

• Helij, koja svojstva omogućuju da se dobije vrlo niske temperature, koja se koristi kao sredstvo za hlađenje u LHC, MRI uređaja supravodljivim magnetom i nuklearnom magnetskom rezonancom, spektrometrima magnetskog satelitske opreme, kao i za ukapljivanje kisik i vodik u projektila „Apollo”.
• Kao inertni plin za zavarivanje aluminija i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluvodiča.
• .. Za stvaranje tlaka u spremnicima za gorivo motora raketa, osobito onih koji djeluju na tekući vodik, t samo plina helija čuva svoje stanje agregacije kada vodik ostane tekuća);
• On-Ne laseri plina Koristi se za skeniranje barkodova kod blagajnika u supermarketima.
• Helium-ionski mikroskop vam omogućuje da dobijete bolje slike od elektronskih.
• Zbog visoke propusnosti plemenitog plina koristi se za testiranje propuštanja, na primjer u auto klima uređaja, kao i brzo punjenje zračni jastuk na sudar.
• Niska gustoća dopušta popunjavanje dekorativnih sfera helijem. Inertni plin zamijenio je eksplozivni vodik u zračnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji, helijske kuglice se koriste za dizanje mjernih instrumenata.
• U kriogenskoj tehnologiji služi kao rashladno sredstvo, jer je temperatura ovog kemijskog elementa u tekućem stanju najniža moguća.
• Helij, koja svojstva se pružaju niska topljivost u vodi i reaktivnost (i krv), u smjesi s kisikom je našao primjenu u respiratornim formulacija za ronjenje i drži udubine rad.
• Analiziraju se meteoriti i stijene za sadržaj ovog elementa kako bi se utvrdilo njihovo doba.

Helium: svojstva elementa

Osnovna fizička svojstva On su kako slijedi:

• Atomski broj: 2.
• Relativna masa atoma helija: 4,0026.
• Talište: br.
• Točka vrelišta: -268.9 ° C.
• Gustoća (1 atm, 0 ° C): 0.1785 g / p.
• Oksidacijska stanja: 0.